(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
表面および裏面を有し、半導体パワー素子（６）が形成された上アームを構成する第１半導体チップ（８ａ）および下アームを構成する第２半導体チップ（８ｂ）と、
前記第１半導体チップ（８ａ）の表面側に形成され、該第１半導体チップ（８ａ）よりも小さなサイズで、かつ、該第１半導体チップ（８ａ）のうち前記半導体パワー素子（６）の電流が流れるアクティブ領域に接合される第１金属ブロック（９ａ）と、
前記第１半導体チップ（８ａ）の裏面に接合された第１放熱板（１０ａ）と、
前記第１金属ブロック（９ａ）における前記第１半導体チップ（８ａ）に接合された面と反対側の面に接合されると共に、前記第２半導体チップ（８ｂ）の裏面に接合された第２放熱板（１０ｂ）と、
前記第２半導体チップ（８ｂ）の表面側に形成され、該第２半導体チップ（８ｂ）よりも小さなサイズで、かつ、該第２半導体チップ（８ｂ）のうち前記半導体パワー素子（６）の電流が流れるアクティブ領域に接合される第２金属ブロック（９ｂ）と、
前記第２金属ブロック（９ｂ）における前記第２半導体チップ（８ｂ）に接合された面と反対側の面に接合された第３放熱板（１０ｃ）と、
前記第１、第２半導体チップ（８ａ、８ｂ）、前記第１、第２金属ブロック（９ａ、９ｂ）および前記第１〜第３放熱板（１０ａ〜１０ｃ）を封止する樹脂封止部（１２）とを有し、
前記第１〜第３放熱板（１０ａ〜１０ｃ）のうち前記第１、第２半導体チップ（８ａ、８ｂ）と反対側の面を放熱面として前記樹脂封止部（１２）から露出させており、
前記第２放熱板（１０ｂ）が、前記第１放熱板（１０ａ）と比較して該第２放熱板（１０ｂ）のうち前記第１金属ブロック（９ａ）と接合される側の部分の厚みが厚くされていると共に、該第２放熱板（１０ｂ）のうち前記第２半導体チップ（８ｂ）と接合される側の部分が前記第３放熱板（１０ｃ）と比較して厚みが薄くされ、前記厚みが厚くされた部分と前記厚みが薄くされた部分とが接続された半導体モジュール（４）と、
冷媒が流れる冷媒通路（５ｅ）が備えられ、前記半導体モジュール（４）を挟み込むことで、前記封止樹脂部（１２）から露出させられた前記第１〜第３放熱板（１０ａ〜１０ｃ）の前記放熱面に接触し、前記半導体モジュール（４）に備えられた前記第１、第２半導体チップ（８ａ、８ｂ）を冷却する冷却機構（５）とを備え、
前記第２放熱板（１０ｂ）のうち前記上アーム側となる前記厚みが厚くされた部分よりも前記下アーム側となる前記厚みが薄くされた部分が前記冷媒通路（５ｅ）内を流れる前記冷媒の流れの上流側に配置されていることを特徴とする半導体装置。
【請求項２】
前記第１放熱板（１０ａ）と前記第２放熱板（１０ｂ）のうち前記第２半導体チップ（８ｂ）と接合された部分が同じ厚みとされ、
前記第２放熱板（１０ｂ）のうち前記第１金属ブロック（９ａ）と接合された部分と前記第３放熱板（１０ｃ）が同じ厚みとされていることを特徴とする請求項１に記載の半導体装置。
【請求項３】
表面および裏面を有し、半導体パワー素子（６）が形成された上アームを構成する第１半導体チップ（８ａ）および下アームを構成する第２半導体チップ（８ｂ）と、
前記第１半導体チップ（８ａ）の表面側に形成され、該第１半導体チップ（８ａ）よりも小さなサイズで、かつ、該第１半導体チップ（８ａ）のうち前記半導体パワー素子（６）の電流が流れるアクティブ領域に接合される第１金属ブロック（９ａ）と、
前記第１金属ブロック（９ａ）における前記第１半導体チップ（８ａ）に接合された面と反対側の面に接合された第１放熱板（１０ｄ）と、
前記第１半導体チップ（８ａ）の裏面に接合された第２放熱板（１０ｅ）と、
前記第２半導体チップ（８ｂ）の表面側に形成され、該第２半導体チップ（８ｂ）よりも小さなサイズで、かつ、該第２半導体チップ（８ｂ）のうち前記半導体パワー素子（６）の電流が流れるアクティブ領域に接合される第２金属ブロック（９ｂ）と、
前記第２金属ブロック（９ｂ）における前記第２半導体チップ（８ｂ）に接合された面と反対側の面に接合された第３放熱板（１０ｆ）と、
前記第２半導体チップ（８ｂ）の裏面に接合された第４放熱板（１０ｇ）と、
前記第１、第２半導体チップ（８ａ、８ｂ）、前記第１、第２金属ブロック（９ａ、９ｂ）および前記第１〜第４放熱板（１０ｄ〜１０ｇ）を封止する樹脂封止部（１２）とを有し、
前記第１〜第４放熱板（１０ｄ〜１０ｇ）のうち前記第１、第２半導体チップ（８ａ、８ｂ）と反対側の面を放熱面として前記樹脂封止部（１２）から露出させており、
前記第１放熱板（１０ｄ）が前記第２放熱板（１０ｅ）よりも厚くされていると共に、前記第３放熱板（１０ｆ）が前記第４放熱板（１０ｇ）よりも厚くされている半導体モジュール（４）と、
冷媒が流れる冷媒通路（５ｅ）が備えられ、前記半導体モジュール（４）を挟み込むことで、前記封止樹脂部（１２）から露出させられた前記第１〜第４放熱板（１０ｄ〜１０ｇ）の前記放熱面に接触し、前記半導体モジュール（４）に備えられた前記第１、第２半導体チップ（８ａ、８ｂ）を冷却する冷却機構（５）とを備え、
前記上アーム側となる前記第１、第２放熱板（１０ｄ、１０ｅ）よりも前記下アーム側となる前記第３、第４放熱板（１０ｆ、１０ｇ）の方が前記冷媒通路（５ｅ）内を流れる前記冷媒の流れの上流側に配置されていることを特徴とする半導体装置。
【請求項４】
前記第１放熱板（１０ｄ）と前記第３放熱板（１０ｆ）とが同じ厚みとされていると共に、前記第２放熱板（１０ｅ）と前記第４放熱板（１０ｇ）とが同じ厚みとされていることを特徴とする請求項３に記載の半導体装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、放熱板による放熱が行われる半導体パワー素子が形成された半導体チップと放熱板とを樹脂封止して一体構造とした半導体モジュールを備えた半導体装置に関するもので、例えば、上アーム（ハイサイド側素子）と下アーム（ローサイド側素子）の二つの半導体パワー素子を一つの樹脂封止部に封止した２ｉｎ１構造、もしくは、一つの半導体パワー素子を樹脂封止部に封止した１ｉｎ１構造の半導体モジュールに適用すると好適である。
【背景技術】
【０００２】
従来、特許文献１において、半導体パワー素子がそれぞれ備えられた上アームと下アームとを直列に接続した２ｉｎ１構造の半導体モジュールが開示されている。この半導体モジュールは、半導体パワー素子としてＩＧＢＴ（絶縁ゲート型電界効果トランジスタ）を備えたもので、上アームおよび下アームそれぞれについて、ＩＧＢＴが形成された半導体チップのエミッタ側に銅ブロックを介して放熱板を配置すると共にコレクタ側に放熱板を配置し、各放熱板を封止樹脂部から露出させた状態で樹脂封止した構造とされている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】特許第４１９２３９６号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
上記の半導体モジュールでは、半導体チップのうちエミッタ側は、半導体チップよりも１回り小さくされた銅ブロックを介して放熱板に電気的に接続される。これは、半導体チップのうちエミッタ側の表面に、ゲート電極に接続するためのパッドとのボンディング領域や、ガードリングなどの耐圧構造が備えられた外周領域などが存在するためである。銅ブロックは、半導体チップのうちボンディング領域や外周領域とは異なるアクティブ領域、つまり半導体チップの中央部に備えられる大電流が流される部分（エミッタ電極が形成される領域）にのみ接続される。このため、半導体チップよりも１回り小さな寸法で銅ブロックを構成している。
【０００５】
ここで、ＩＧＢＴでの発熱は、図１０に示した断面図に示されるように、エミッタ側では半導体チップＪ１から幅狭の銅ブロックＪ２を介して放熱板Ｊ３に伝わることになり、コレクタ側では幅広の半導体チップＪ１から直接放熱板Ｊ４に伝わることになる。このとき、各放熱板Ｊ３、Ｊ４に接続されている発熱体、つまり銅ブロックＪ２と半導体チップＪ１のサイズが異なっていることから、エミッタ側とコレクタ側で熱拡散が異なっている。
【０００６】
しかしながら、従来では、熱拡散によらず、エミッタ側とコレクタ側の放熱板の厚みを同じにしていた。例えば、上記特許文献１に記載されたように上アームと下アームとで半導体チップの表裏面を裏返した構造の場合、一方の半導体チップはエミッタ側が表側を向けられ、他方の半導体チップはコレクタ側が裏側を向けられて配置される。この場合、上アームのエミッタと下アームのコレクタとが電気的に接続された構造とされることから、これらが接続される放熱板は一枚構造とされるが、上アームのコレクタや下アームのエミッタが接続される放熱板はそれぞれ一枚ずつ備えられる。このような構造において、各放熱板が同じ厚みとされていた。このため、上アームのコレクタが接合される放熱板での熱拡散と比較して、上アームの銅ブロックが接合される放熱板での熱拡散が狭くなったり、下アームのコレクタが接合される放熱板での熱拡散と比較して、下アームの銅ブロックが接合される放熱板での熱拡散が狭くなる場合があった。
【０００７】
また、上アームと下アームとで半導体チップの向きを同じにした２ｉｎ１構造の場合には、上アームの半導体チップのエミッタとコレクタがそれぞれ接続される放熱板が一枚ずつ備えられ、下アームの半導体チップのエミッタとコレクタがそれぞれ接続される放熱板も一枚ずつ備えられる。これら各放熱板の厚みがすべて同じにされているため、やはり上アームのコレクタが接合される放熱板での熱拡散と比較して、上アームの銅ブロックが接合される放熱板での熱拡散が狭くなったり、下アームのコレクタが接合される放熱板での熱拡散と比較して、下アームの銅ブロックが接合される放熱板での熱拡散が狭くなる場合があった。さらに、一つの半導体パワー素子のみを放熱板と共に樹脂封止した１ｉｎ１構造の半導体モジュールについても、エミッタとコレクタそれぞれが接続される放熱板の厚みが同じにされているため、同様のことが発生していた。
【０００８】
したがって、半導体チップの表裏面において熱拡散に差が出て冷却性能が損なわれる可能性があるため、より効率の良い冷却性能が得られるようにすることが望まれる。
【０００９】
本発明は上記点に鑑みて、半導体パワー素子が形成された半導体チップの表裏面に放熱板が備えられる半導体モジュールを備えた半導体装置において、効率の良い冷却性能が得られるようにすることを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００１０】
上記目的を達成するため、請求項１に記載の発明は、第１、第２半導体チップ（８ａ、８ｂ）の表面が反対側に向けられて配置された半導体モジュールであって、第２放熱板（１０ｂ）が、第１放熱板（１０ａ）と比較して該第２放熱板（１０ｂ）のうち第１金属ブロック（９ａ）と接合される側の部分の厚みが厚くされていると共に、該第２放熱板（１０ｂ）のうち第２半導体チップ（８ｂ）と接合される側の部分が第３放熱板（１０ｃ）と比較して厚みが薄くされ、厚みが厚くされた部分と厚みが薄くされた部分とが接続された半導体モジュール（４）と、冷媒が流れる冷媒通路（５ｅ）が備えられ、半導体モジュール（４）を挟み込むことで、封止樹脂部（１２）から露出させられた第１〜第３放熱板（１０ａ〜１０ｃ）の放熱面に接触し、半導体モジュール（４）に備えられた第１、第２半導体チップ（８ａ、８ｂ）を冷却する冷却機構（５）とを備え、第２放熱板（１０ｂ）のうち上アーム側となる厚みが厚くされた部分よりも下アーム側となる厚みが薄くされた部分が冷媒通路（５ｅ）内を流れる冷媒の流れの上流側に配置されていることを特徴としている。
【００１１】
このように、第１放熱板（１０ａ）よりも第２放熱板（１０ｂ）のうち第１金属ブロック（９ａ）と接合される側の部分の厚さが厚くなり、第２放熱板（１０ｂ）のうち第２半導体チップ（８ｂ）と接合される側の部分の厚さが第３放熱板（１０ｃ）よりも薄くなるようにしている。このため、第１〜第３放熱板（１０ａ〜１０ｃ）のうち封止樹脂部（１２）から露出させられた一面内において、第１、第２半導体チップ（８ａ、８ｂ）からの放熱時における熱拡散と、第１、第２金属ブロック（９ａ、９ｂ）からの放熱時における熱拡散をほぼ同じにすることができる。そして、熱拡散が放熱に寄与する面積に相当することから、各部での熱拡散を同じサイズにすることで、放熱に寄与する部分の面積の適正化を図ることが可能となる。このため、効率の良い冷却性能が得られる。
【００１２】
例えば、請求項２に記載したように、第１放熱板（１０ａ）と第２放熱板（１０ｂ）のうち第２半導体チップ（８ｂ）と接合された部分が同じ厚みとされ、第２放熱板（１０ｂ）のうち第１金属ブロック（９ａ）と接合された部分と第３放熱板（１０ｃ）が同じ厚みとされる。
【００１３】
請求項３に記載の発明は、第１、第２半導体チップ（８ａ、８ｂ）の表面が同じ方向に向けられて配置された半導体モジュールであって、第１放熱板（１０ｄ）が第２放熱板（１０ｅ）よりも厚くされていると共に、第３放熱板（１０ｆ）が第４放熱板（１０ｇ）よりも厚くされている半導体モジュール（４）と、冷媒が流れる冷媒通路（５ｅ）が備えられ、半導体モジュール（４）を挟み込むことで、封止樹脂部（１２）から露出させられた第１〜第４放熱板（１０ｄ〜１０ｇ）の放熱面に接触し、半導体モジュール（４）に備えられた第１、第２半導体チップ（８ａ、８ｂ）を冷却する冷却機構（５）とを備え、上アーム側となる第１、第２放熱板（１０ｄ、１０ｅ）よりも下アーム側となる第３、第４放熱板（１０ｆ、１０ｇ）の方が冷媒通路（５ｅ）内を流れる冷媒の流れの上流側に配置されていることを特徴としている。
【００１４】
このような構成とすれば第１〜第４放熱板（１０ｄ〜１０ｇ）のうち封止樹脂部（１２）から露出させられた一面内において、第１、第２半導体チップ（８ａ、８ｂ）からの放熱時における熱拡散と、第１、第２ブロック（９ａ、９ｂ）からの放熱時における熱拡散をほぼ同じにすることができる。そして、熱拡散が放熱に寄与する面積に相当することから、各部での熱拡散を同じサイズにすることで、放熱に寄与する部分の面積の適正化を図ることが可能となる。このため、効率の良い冷却性能が得られる。
【００１５】
例えば、請求項４に記載したように、第１放熱板（１０ｄ）と第３放熱板（１０ｆ）とを同じ厚みとし、第２放熱板（１０ｅ）と第４放熱板（１０ｇ）とを同じ厚みとすることができる。
【００１８】
なお、上記各手段の括弧内の符号は、後述する実施形態に記載の具体的手段との対応関係を示すものである。
【図面の簡単な説明】
【００１９】
【図１】本発明の第１実施形態にかかるインバータ１の回路図である。
【図２】第１実施形態にかかるインバータ１の斜視図である。
【図３】図２に示すインバータ１の断面図である。
【図４】半導体モジュール４の断面図である。
【図５】図４に示す半導体モジュール４の正面図である。
【図６】図４に示す半導体モジュール４の分解図である。
【図７】半導体チップ８の正面図である。
【図８】本発明の第２実施形態にかかる半導体モジュール４の断面図である。
【図９】本発明の第３実施形態にかかる半導体モジュール４の断面図である。
【図１０】従来の半導体モジュールにおける放熱構造を示した断面図である。
【発明を実施するための形態】
【００２０】
以下、本発明の実施形態について図に基づいて説明する。なお、以下の各実施形態相互において、互いに同一もしくは均等である部分には、図中、同一符号を付してある。
【００２１】
（第１実施形態）
本発明の第１実施形態について説明する。本実施形態では、本発明の一実施形態にかかる半導体モジュールが備えられた半導体装置として、冷却機構を有するインバータを例に挙げて説明する。
【００２２】
図１は、インバータ１の回路図、図２は、インバータ１の斜視図、図３は、インバータ１の断面図である。なお、図３は、図２の紙面上下方向に対する垂直平面においてインバータ１を切断した場合の断面に相当している。
【００２３】
図１に示すように、インバータ１は、直流電源２に基づいて負荷である三相モータ３を交流駆動するためのもので、直列接続した上下アームが三相分並列接続された構成とされ、上アームと下アームとの中間電位を三相モータ３のＵ相、Ｖ相、Ｗ相の各相に順番に入れ替えながら印加する。このインバータ１における上アームと下アームの一相分が、１つの半導体モジュール４とされ、図２および図３に示すように、３つの半導体モジュール４が冷却機構５内に配置されることでインバータ１が構成されている。
【００２４】
また、図１に示すように、各上アームと各下アームは、それぞれ、半導体パワー素子であるＩＧＢＴ６とフリーホイールダイオード（以下、ＦＷＤという）７とによって構成されている。本実施形態では、ＩＧＢＴ６とＦＷＤ７を同一の半導体チップ８（図３参照）内に形成しており、ＩＧＢＴ６のエミッタとコレクタに対してＦＷＤ７のアノードとカソードとを電気的に接続した構造としている。そして、各半導体モジュール４の上アームの正極端子Ｐと負極端子Ｎおよび出力端子Ｏが、図２に示すように半導体モジュール４から外部に突き出すように延設されている。これら正極端子Ｐ、負極端子Ｎおよび出力端子Ｏに、直流電源２の正極と負極および三相モータ３がそれぞれ接続されることにより、図１に示す回路構成とされる。
【００２５】
図２および図３に示すように、各半導体モジュール４はプレート状とされ、冷却機構５内において表裏面が挟み込まれて固定されている。冷却機構５は、熱伝導率の高いアルミなどの金属にて形成され、図３に示すように複数のプレート５ａ、フィン５ｂ、冷媒導入ポート５ｃ、冷媒排出ポート５ｄ等によって構成されている。複数のプレート５ａおよびフィン５ｂは、二枚のプレート５ａおよび一枚のフィン５ｂを一組として、二枚のプレート５ａによって一枚のフィン５ｂを挟み込んだ状態でろう付けもしくは溶接などによって接合することで、その内部に冷却水などの冷媒を流す冷媒通路５ｅを構成している。フィン５ｂは、図３の紙面垂直方向において波打った形状とされており、波打ったフィン５ｂの山および谷の部分がフィン５ｂを挟み込む二枚のプレート５ａに接触することで、紙面左右方向に伸びる冷媒通路５ｅが複数本形成されている。
【００２６】
各プレート５ａおよびフィン５ｂのうち冷媒導入ポート５ｃおよび冷媒排出ポート５ｄと交差する部分には連通孔が形成されており、各プレート５ａおよびフィン５ｂによって形成される各冷媒通路５ｅが冷媒導入ポート５ｃおよび冷媒排出ポート５ｄによって繋がれている。このため、冷媒導入ポート５ｃから導入された冷媒が図２中矢印に示したように各冷媒通路５ｅを通過したのち冷媒排出ポート５ｄを通じて排出されるようになっている。
【００２７】
このように構成された冷却機構５における二枚のプレート５ａおよび一枚のフィン５ｂで構成される各組の間には隙間が設けられており、この隙間に各半導体モジュール４が挟み込まれ、絶縁部材などを介して固定されている。これにより、半導体モジュール４が３つ、つまり三相分備えられたインバータ１が構成されている。
【００２８】
次に、このように構成されるインバータ１に備えられる半導体モジュール４の詳細構造について説明する。図４〜図６は、半導体モジュール４を示した図であり、図４は断面図、図５は正面図、図６は分解図である。なお、図４は、図５のＡ−Ａ’断面図に相当している。
【００２９】
図４〜図６に示すように、半導体モジュール４は、半導体チップ８と、銅ブロック９と、放熱板１０、およびゲート端子１１等を備え、これらが図４に示すように封止樹脂部１２によって樹脂封止されることで一体化された構造とされている。
【００３０】
半導体チップ８は、二枚備えられており、一方が上アームの半導体チップ８ａ、他方が下アームの半導体チップ８ｂとされ、双方共にＩＧＢＴ６およびＦＷＤ７が形成された同じ構造のもとされている。半導体チップ８ａ、８ｂに形成されたＩＧＢＴ６やＦＷＤ７は基板垂直方向に電流を流す縦型素子として構成されている。
【００３１】
図７は、半導体チップ８の正面図である。半導体チップ８の表面側には、ＩＧＢＴ６のエミッタやＦＷＤ７のアノードに電気的に接続されるパッド８ｃやＩＧＢＴ６のゲートに接続されるパッド８ｄが形成されている。パッド８ｃが形成された半導体チップ８の中央の領域は、ＩＧＢＴ６をオンさせたときの大電流もしくはＦＷＤ７を通じて還流電流が流されるアクティブ領域であり、その周囲がガードリングなどの耐圧構造が備えられた外周領域とされ、ゲートに接続されるパッド８ｄは外周領域側に引き出されて配置されている。一方、図示しないが、半導体チップ８の裏面側には、ＩＧＢＴ６のコレクタやＦＷＤのカソードに電気的に接続されるパッドが裏面全面に形成されている。
【００３２】
このような半導体チップ８は、例えば図７中に示したように、１２．８ｍｍ×１２．８ｍｍの寸法とされ、アクティブ領域が１０．７ｍｍ×１１．４ｍｍとされている。アクティブ領域を４辺で囲んでいる外周領域のうちパッド８ｄが配置される側の辺の幅は、１．４ｍｍとされ、その他のパッド８ｄが配置されない側の辺の幅は、０．７ｍｍとされている。
【００３３】
銅ブロック９は、金属ブロックに相当するものであり、二つ備えられ、一方の銅ブロック９ａが上アームの半導体チップ８ａにおけるＩＧＢＴ６のエミッタおよびＦＷＤ７のアノードと接続され、他方の銅ブロック９ｂが下アームの半導体チップ８ｂにおけるＩＧＢＴ６のエミッタおよびＦＷＤ７のアノードと接続されている。銅ブロック９は、半導体チップ８のアクティブ領域と同じ面積、つまりパッド８ｃと同じサイズとされ、図示しないはんだ等を介してパッド８ｃに接続されている。このため、銅ブロック９は、半導体チップ８よりも一回り小さなサイズとされている。具体的には、銅ブロック９のうち半導体チップ８と対向する面は、１０．７ｍｍ×１１．４ｍｍとされている。また、銅ブロック９の厚みは、１．７ｍｍとされている。
【００３４】
放熱板１０は、熱伝導率の高い金属、例えば銅にて構成されており、半導体チップ８で発した熱を伝熱する役割と、半導体チップ８に形成されたＩＧＢＴ６やＦＷＤ７の電流経路としての役割を果たす。本実施形態の場合、放熱板１０として、放熱板１０ａ〜１０ｃの三枚が備えられている。放熱板１０ａは、上アームの半導体チップ８ａにおけるＩＧＢＴ６のコレクタおよびＦＷＤ７のカソードにはんだ等を介して接続される。この放熱板１０ａには、正極端子Ｐが備えられている。放熱板１０ｂは、上アームの銅ブロック９ａおよび下アームの半導体チップ８ｂにおけるＩＧＢＴ６のコレクタおよびＦＷＤ７のカソードにはんだ等を介して接続される。この放熱板１０ｂには、出力端子Ｏが備えられている。放熱板１０ｃは、下アームの銅ブロック９ｂにはんだ等を介して接続される。この放熱板１０ｃには、負極端子Ｎが備えられている。
【００３５】
本実施形態では、これら放熱板１０ａ〜１０ｃの厚みを従来と変えることで、より効率の良い冷却性能が得られるようにする。この放熱板１０ａ〜１０ｃの詳細構造については後述する。
【００３６】
図５および図６に示すように、ゲート端子１１は、上アーム用のゲート端子１１ａと下アーム用のゲート端子１１ｂがあり、それぞれ複数本の端子で構成されている。そして、各ゲート端子１１ａ、１１ｂは、図示しないボンディングワイヤによりパッド８ｄに接続されることで、それぞれ上アームや下アームの半導体チップ８ａ、８ｂにおけるＩＧＢＴ６のゲートに電気的に接続されている。
【００３７】
このように構成された各部は、図６に示されるように、ゲート端子１１ａ、１１ｂが配置された放熱板１０ｂ上に、順に配置される。すなわち、上アーム側では、放熱板１０ｂ上に銅ブロック９ａ、半導体チップ８ａ、放熱板１０ａが順に積まれて接合され、下アーム側では、放熱板１０ｂ上に半導体チップ８ｂ、銅ブロック９ｂ、放熱板１０ｃが順に積まれるて接合される。このように各部が積まれた状態で、図示しない成形型などに設置され、封止樹脂部１２によって樹脂封止されている。そして、半導体モジュール４の表面では、封止樹脂部１２の一面と放熱板１０ａ、１０ｃとが面一とされることで放熱板１０ａ、１０ｃが露出させられ、裏面でも封止樹脂部１２の一面と放熱板１０ｂとが面一とされることで放熱板１０ｂが露出させられる。また、封止樹脂部１２における一側面から正極端子Ｐや負極端子Ｎおよび出力端子Ｏが引き出され、その側面と反対側の側面からゲート端子１１ａ、１１ｂが引き出されている。このような構成により、半導体モジュール４が構成されている。そして、このように構成された半導体モジュール４は、図３および図４に示したように、冷却機構５における冷媒流れの上流側に下アームが配置され、下流側に上アームが配置されるようにして、冷却機構５に組み付けられている。
【００３８】
このように構成された半導体モジュール４では、正極端子Ｐが直流電源２の正極に接続され、出力端子Ｏが三相モータ３に接続され、負極端子Ｎが直流電源２の負極に接続される。そして、ＩＧＢＴ６のゲートへのゲート電圧の印加に基づいて、一つの相の上アームのＩＧＢＴ６をオンさせると共に他の相の下アームのＩＧＢＴ６をオフさせるということを順番に繰り返し行うことで三相モータ３への電流供給経路を形成し、三相モータ３に対して交流電流を供給する。具体的には上アームのＩＧＢＴ６をオンさせることにより、正極端子Ｐから放熱板１０ａ→半導体チップ８ａ→銅ブロック９ａ→放熱板１０ｂおよび出力端子Ｏを通じて三相モータ３に電流供給を行う経路を構成する。また、下アームのＩＧＢＴ６をオンさせることにより、出力端子Ｏから放熱板１０ｂ→半導体チップ８ｂ→銅ブロック９ｂ→放熱板１０ｂおよび負極端子Ｎを通じて、三相モータ３からの電流を流す経路を構成する。このような動作を行うに際し、半導体モジュール４内の各半導体チップ８ａ、８ｂがＩＧＢＴ６やＦＷＤ７に大電流が流れるのに伴って発熱する。しかし、この熱が放熱板１０ａ〜１０ｃを通じて放熱されると共に、冷却機構５によって冷却されるため、半導体チップ８ａ、８ｂの過昇温を抑制できるようになっている。
【００３９】
続いて、上述した放熱板１０ａ〜１０ｃの厚みなどの詳細構造について説明する。本実施形態では、放熱板１０ａは、四角板にて構成されており、その四角板の一辺から張り出すように正極端子Ｐが形成されている。放熱板１０ｃも、四角板にて構成されており、その四角板の一辺から張り出すように負極端子Ｎが形成されている。これら放熱板１０ａや放熱板１０ｃの中心に半導体チップ８ａや銅ブロック９ｂの中心が位置合わせされて接合される。また、放熱板１０ｂは、長方形状とされ、その一辺から張り出すように出力端子Ｏが形成されている。この放熱板１０ｂは、放熱板１０ａと放熱板１０ｃを合わせたサイズ以上とされている。
【００４０】
放熱板１０ａおよび放熱板１０ｃの幅方向のサイズ（図４の紙面左右方向のサイズおよび紙面垂直方向のサイズ）は同じにされているが、厚みが放熱板１０ａよりも放熱板１０ｃの方が厚くなるようにしている。また、放熱板１０ｂには段差が設けられており、放熱板１０ｂのうち上アームの銅ブロック９ａと接合される側の部分の厚さが下アームの半導体チップ８ｂと接合される側の部分の厚さよりも厚くなるようにしている。放熱板１０ａと放熱板１０ｂのうち下アームの半導体チップ８ｂと接合される側の部分の厚さと等しくされ、放熱板１０ｃと放熱板１０ｂのうち上アームの銅ブロック９ａと接合される側の部分の厚さが等しくされている。つまり、放熱板１０ａよりも放熱板１０ｂのうち上アームの銅ブロック９ａと接合される側の部分の厚さが厚くなり、放熱板１０ｂのうち下アームの半導体チップ８ｂと接合される側の部分の厚さよりも放熱板１０ｃが厚くなるようにしている。
【００４１】
例えば、熱伝導が生じるときの熱拡散は、図４中の破線で示したように４５度と考えることができる。このため、放熱板１０ａの厚みと等しい幅分広がって熱拡散が生じると考えられる。これを考慮して、放熱板１０ａや放熱板１０ｃのうち封止樹脂部１２から露出させられた一面内に、熱拡散が収まるように、放熱板１０ａ〜１０ｃの厚みを設定している。
【００４２】
すなわち、図４の紙面左右方向における半導体チップ８ａと銅ブロック９ｂとのサイズに差があるため、放熱板１０ａ〜１０ｃの厚みがすべて同じであったとすると、その差に基づき、各部での熱拡散が異なったものとなる。例えば、半導体チップ８ａ、８ｂからの放熱時における放熱板１０ａ、１０ｂでの熱拡散の方が、銅ブロック９ａ、９ｂからの放熱時における放熱板１０ｂ、１０ｃでの熱拡散よりも大きくなる。しかし、この熱拡散は放熱板１０の厚みを厚くするほど広くなるため、銅ブロック９ａ、９ｂからの放熱時における放熱板１０ｂ、１０ｃの熱拡散をその厚さに応じて広くすることが可能となる。このため、上記のようなサイズとすることにより、放熱板１０ａ〜１０ｃのうち封止樹脂部１２から露出させられた一面内において、半導体チップ８ａ、８ｂからの放熱時における熱拡散と、銅ブロック９ａ、９ｂからの放熱時における熱拡散をほぼ同じサイズにすることができる。
【００４３】
具体的には、放熱板１０ａと放熱板１０ｂのうち上アームの銅ブロック９ａと接合される側の部分の厚さの差、および、放熱板１０ｂのうち下アームの半導体チップ８ｂと接合される側の部分と放熱板１０ｃとの厚さの差が、半導体チップ８ａ、８ｂと銅ブロック９ａ、９ｂにおける図４の紙面左右方向の幅の差の１／２倍程度となるようにすると好ましい。
【００４４】
以上のように、放熱板１０ａよりも放熱板１０ｂのうち上アームの銅ブロック９ａと接合される側の部分の厚さが厚くなり、放熱板１０ｂのうち下アームの半導体チップ８ｂと接合される側の部分の厚さよりも放熱板１０ｃが厚くなるようにしている。このため、放熱板１０ａ〜１０ｃのうち封止樹脂部１２から露出させられた一面内において、半導体チップ８ａ、８ｂからの放熱時における熱拡散と、銅ブロック９ａ、９ｂからの放熱時における熱拡散をほぼ同じサイズにすることができる。そして、熱拡散の面積が放熱に寄与する部分の面積に相当することから、本実施形態のように各部での熱拡散を同じサイズにすることで、放熱に寄与する部分の面積の適正化を図ることが可能となる。このため、効率の良い冷却性能が得られるようにすることが可能となる。
【００４５】
また、このような構造は、放熱板１０ａ〜１０ｃの使用面積を従来と同じとしたまま放熱板１０ａ〜１０ｃの厚みを従来から変更するだけで実現可能であるため、放熱板１０ａ〜１０ｃの使用面積を拡大しなくても、効率の良い冷却性能が得られるようにすることが可能となる。
【００４６】
なお、放熱板１０ａ〜１０ｃの使用面積を従来と同じにしても良いが、冷却性能は、半導体チップ８ａ、８ｂの表裏面それぞれにおいて放熱に寄与する部分のトータルの面積で決まる。このため、半導体チップ８ａ、８ｂの表裏面それぞれにおいて放熱に寄与する部分のトータルの面積が従来と比較して大きくなっていれば、放熱板１０ａ〜１０ｃの使用面積を従来よりも小さくしたとしても、上記効果を得ることができる。逆に、従来よりも広くしたとしても、放熱板１０ａ〜１０ｃを同じ厚みとする場合と比較すれば、放熱に寄与する部分の面積の適正化が図れているため、上記効果を得ることはできる。
【００４７】
（第２実施形態）
本発明の第２実施形態について説明する。本実施形態は、第１実施形態に対して半導体モジュール４の構造を変更したものであり、その他に関しては第１実施形態と同様であるため、異なる部分についてのみ説明する。
【００４８】
図８は、本実施形態の半導体モジュール４の断面図である。この図に示されるように、本実施形態の半導体モジュール４も２ｉｎ１構造のものであるが、上アームと下アームとで半導体チップ８ａ、８ｂの表面が同じ方向に向けられた構造とされている。
【００４９】
本実施形態の半導体モジュール４では、上アームの半導体チップ８ａのＩＧＢＴ６のエミッタおよびＦＷＤ７のアノードが銅ブロック９ａを介して放熱板１０ｄに接続されていると共に、半導体チップ８ａのＩＧＢＴ６のコレクタおよびＦＷＤ７のカソードが放熱板１０ｅに接続されている。また、下アームの半導体チップ８ｂのＩＧＢＴ６のエミッタおよびＦＷＤ７のアノードが銅ブロック９ｂを介して放熱板１０ｆに接続されていると共に、半導体チップ８ｂのＩＧＢＴ６のコレクタおよびＦＷＤ７のカソードが放熱板１０ｇに接続されている。そして、各放熱板１０ｄ〜１０ｇのうち第１、第２半導体チップ８ａ、８ｂと反対側の面が封止樹脂部１２から露出させられ、封止樹脂部１２内において、放熱板１０ｄおよび放熱板１０ｇが接続配線１３を介して電気的に接続されている。接続配線１３と放熱板１０ｄおよび放熱板１０ｇとの接続は溶接もしくははんだ付けなどによって行われている。
【００５０】
このような構成において、上下アーム共に、銅ブロック９ａ、９ｂに接続される放熱板１０ｄ、１０ｆの厚みが、半導体チップ８ａ、８ｂに接続される放熱板１０ｅ、１０ｇの厚みよりも厚くなるようにしている。具体的には、放熱板１０ｄ、１０ｆのサイズや厚みを第１実施形態で説明した放熱板１０ｃと同じにし、放熱板１０ｅ、１０ｇのサイズや厚みを第１実施形態で説明した放熱板１０ａと同じにしている。
【００５１】
このような構成とすれば放熱板１０ｄ〜１０ｇのうち封止樹脂部１２から露出させられた一面内において、半導体チップ８ａ、８ｂからの放熱時における熱拡散と、銅ブロック９ａ、９ｂからの放熱時における熱拡散をほぼ同じサイズにすることができる。そして、熱拡散が放熱に寄与面積に相当することから、本実施形態のように各部での熱拡散を同じにすることで、放熱に寄与する部分の面積の適正化を図ることが可能となる。このため、効率の良い冷却性能が得られる。
【００５２】
（第３実施形態）
本発明の第３実施形態について説明する。本実施形態は、第１実施形態に対して半導体モジュール４の構造を変更したものであり、その他に関しては第１実施形態と同様であるため、異なる部分についてのみ説明する。
【００５３】
図９は、本実施形態の半導体モジュール４の断面図である。この図に示されるように、本実施形態の半導体モジュール４は１ｉｎ１構造のものとされている。
【００５４】
本実施形態の半導体モジュール４では、半導体チップ８のＩＧＢＴ６のエミッタおよびＦＷＤ７のアノードが銅ブロック９を介して放熱板１０ｈに接続されていると共に、ＩＧＢＴ６のコレクタおよびＦＷＤ７のカソードが放熱板１０ｉに接続されている。そして、各放熱板１０ｈ、１０ｉのうち半導体チップ８と反対側の面が封止樹脂部１２から露出させられている。
【００５５】
このような構成において、銅ブロック９に接続される放熱板１０ｈの厚みが半導体チップ８に接続される放熱板１０ｉの厚みよりも厚くなるようにしている。具体的には、放熱板１０ｈのサイズや厚みを第１実施形態で説明した放熱板１０ｃと同じにし、放熱板１０ｉのサイズや厚みを第１実施形態で説明した放熱板１０ａと同じにしている。
【００５６】
このような構成とすれば放熱板１０ｈ、１０ｉのうち封止樹脂部１２から露出させられた一面内において、半導体チップ８からの放熱時における熱拡散と、銅ブロック９からの放熱時における熱拡散をほぼ同じサイズにすることができる。そして、熱拡散が放熱に寄与する部分の面積に相当することから、本実施形態のように各部での熱拡散を同じにすることで、放熱に寄与する面積の適正化を図ることが可能となる。このため、効率の良い冷却性能が得られる。
【００５７】
（他の実施形態）
上記実施形態では、三相モータ３を駆動するインバータ１について説明したが、半導体装置としてはインバータ１に限るものではなく、少なくとも半導体モジュール４が備えられるものであれば、どのようなものに対しても第１〜第３実施形態に示した半導体モジュール４を適用することができる。例えば、コンバータなどに対して第１〜第３実施形態に示した半導体モジュール４を適用することができる。
【００５８】
また、上記実施形態では、半導体チップ８にＩＧＢＴ６とＦＷＤ７が一体形成されているものについて説明したが、これらがそれぞれ別チップとされている構造についても本発明を適用することができる。
【００５９】
また、半導体パワー素子としてＩＧＢＴを例に挙げて説明したが、他の素子、例えばパワーＭＯＳＦＥＴなどが用いられる場合についても、本発明を適用することができる。
【符号の説明】
【００６０】
１    インバータ
２    直流電源
３    三相モータ
４    半導体モジュール
５    冷却機構
６    ＩＧＢＴ
７    ＦＷＤ
８    半導体チップ
９    銅ブロック
１０  放熱板
１１  ゲート端子
１２  封止樹脂部
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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